化工原理吸收章节习题

基本概念 1、亨利定律

2、气膜控制与液膜控制

三、请回答下列问题（10分）

1．根据双膜理论，两相间的传质阻力主要集中在什么地方？增加气液两相主体的湍动程度，传质速率将会如何变化？

相界面两侧的液膜和气膜中；增大

吸 收

2．对于高浓度气体吸收，为什么不能用脱吸因子法或对数平均推动力法，而必须用图解积分或数值积分的方法进行吸收过程计算？

因为脱吸因子法和对数平均推动力法都是基于稀溶液的相平衡线为直线的假设，而对于高浓度气体吸收，该假设不再成立，所以这两种方法不再适用，必须针对相平衡曲线运用数值积分或图解积分的方法进行吸收过程的相关计算。 4．简要叙述吸收中双膜理论的提出者及其三个基本要点。

双膜模型由惠特曼（Whiteman）于1923年提出，为最早提出的一种传质模型。 （1分） 惠特曼把两流体间的对流传质过程设想成图片2-10所示的模式，其基本要点如下：

①当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜，气相一侧的称为“气膜”，液相一侧的称为“液膜”，溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散。 （2分）

②在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。（1分）

③在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体的强烈湍动，各处浓度均匀一致。 （2分）

双膜模型把复杂的相际传质过程归结为两种流体停滞膜层的分子扩散过程，依此模型，在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。这样，整个相际传质过程的阻力便全部集中在两个停滞膜层内。因此，双膜模型又称为双阻力模型。

5．对于溶解度系数很低的气体吸收，可采用哪些措施以提高吸收速率？ 7、说明传质单元高度的物理意义 8、简述填料塔的基本结构与主要特点。 9、写出亨利定律的定义及表达公式。

主要公式：

吸收塔的物料衡算；

液气比与最小液气比求m 【例2－8】

填料层高度的计算【传质单元高度、传质单元数（脱吸因数法）】 提高填料层高度对气相出口浓度的影响

四、计算题 2、（２０分）有一吸收塔，塔内装有25?25?3mm的拉西环，其比表面积a=204m2/m3（假设全部润湿），在20℃及1atm下操作。空气－丙酮混合气中含有6%(V%)的丙酮，混和气量

3

1400m/h（标准状态）。塔顶喷淋的清水量为3000kg/h，丙酮回收率?=98%，平衡关系为y=1.68x（x，y为摩尔分数）。已知塔径D=0.675m，总传热系数Ky=0.4kmol/(m2?h)，试求： （1） 传质单元数NOG； （2） 填料层高度Z。

1400?62.5Kmol/h 22.43000?166.67Kmol/h L??18解：

G?? （1）因 所以

y1?0.06 ??98%

y2?(1??)y1?(1?0.98)?0.06?0.0012

x2=0 又

x1?G?62.5(y1?y2)?(0.06?0.0012)?0.022 ?L166.67 y1e?mx1?1.68?0.022?0.037y2e?mx2?0 ?ym?(y1?y1e)?(y2?y2e)0.06?0.037?0.0012?0??0.007 4y1?y1e0.06?0.037lnln0.001?20y2?y2ey1?y20.06?0.0012??7.965 （10分）

?ym0.0074?? 故

NoG?（2）塔的横截面积

?4D2?3.14?0.6752?0.36m2 4

HoG?G?62.5??2.13(m) （6分）

Kga?0.4?204?0.36 h = HoG?NoG =2.13?7.97=16.96 (m) （4分）

某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气当中的有害组分A，已知操作条件下，

气相总传质单元高度1.5米，进塔混合气组成为0.04(摩尔分率，下同)，出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下平衡关系为Y=2.5X（X、Y为摩尔比），求： 1 液气比L/V为（L/V）min的多少倍？ 2 气相总传质单元数NOG 3 所需填料层高度Z。

0.040.00530.01281． Y1??0.0417,Y2??0.00533,X1??0.01297,X2?0,Y2??0 （2分）

1?0.041?0.00531?0.0128LY1?Y20.0417?0.00533 ???2.804 （2分）

VX1?X20.01297?0Y1?Y2Y1?Y20.00533?L????2.5?(1?)?2.18 （4分） ?V?Y1?X?X0.0417??min11mL?V?minLV?2.804?1.286 （3分） 2.182．s?mV2.5??0.892 （2分） L2.804???Y?Y110.0417?0??12 NOG? ln?(1?S)?S?ln(1?0.892)?0.892?5.11（4分）????1?S?Y2?Y20.00533?0??1?0.892?3．Z?HOG?NOG?1.5?5.11?7.67m （3分）

某填料吸收塔用洗油来吸收混合气体中的苯，洗油中苯的浓度为0.0002 kmol苯/kmol洗油，混合气体量为1000m3/h，入塔气体中苯含量为4%（体积分率），要求吸收率为80%，操作压强为101.3kPa，温度293 K。溶液的平衡关系为Y*=30.9X，取操作液气比为最小液气比的1.2倍，求： 1． 最小液气比（L/V）min。

2． 吸收剂用量L和溶液出口组成X1。

1． 进塔气体中苯浓度：Y1

?y10.04??0.0417 （1分） 1?y11?0.04Y2出塔气体中苯浓度：

?0.0417?(1?0.8)?0.00834 （1分）

?0.0002

进塔洗油中的苯浓度：X2X1*?Y10.0417 ??0.00135 （4分）

m30.9Y1?Y20.0417?0.00834?L????29 （4??*?V?minX1?X20.00135?0.0002分） 2.

LL?1.2()min?1.2?29?34.8 即L=38.4V （2分） VV1000273101.3???(1?0.04)?39.93kmol惰性气体/h （3分） 22.4293101.3 进入吸收塔惰性气体摩尔流量为：

V?L=34.8V=1390kmol洗油/h （2分） 而X1?X2?V(Y1?Y2)39.93 ?0.0002??(0.0417?0.00834)?0.00116 （3分）

L1390四、（20分）

用填料塔从一混合气体中吸收所含的苯。进料混合气体含苯5%（体积百分数），其余为空气。要求苯的回收率为95%。吸收塔操作压强为780mmHg,温度为25℃，进入填料塔的混合气体为1000m3/h，入塔吸收剂为纯煤油。煤油的耗用量为最小用量的1.5倍。汽液逆流流动。已知该系统的平衡关系为Y?0.14X（式中X,Y均为摩尔比），气相体积总传质系数KYa?125kmo/lm3?h。煤油的平均分子量为170kg/kmol。塔径为0.6m。求：

（1） 煤油的耗用量为多少kg/h？ （2） 煤油出塔浓度X1为多少？ （3） 填料层高度为多少米？ （4） 吸收塔每小时回收多少kg苯？

解：

（1） 煤油的耗用量L： 塔内惰性组分摩尔流量为：

V?1000273780???(1?0.05)?39.88kmol/h 22.4273?25760进塔气体苯的浓度为：

Y1?0.05?0.05263

1?0.05出塔气体中苯的浓度为：

Y2?Y1(1??A)?0.5263?(1?0.95)?0.00263

由吸收剂最小用量公式

Lmin?V(Y1?Y2)

Y1/m?X2L?1.5Lmin?1.5V(Y1?Y2)/(Y1/m?X2) ?1.5?39.88?(0.05263?0.00263)/(0.05263/0.14) ?7.956kmol/h?1352.52kg/h（2） 煤油出塔浓度X1： 由全塔物料衡算式可得：

X1?X2?V39.88(Y1?Y2)?0?(0.05263?0.00263)?0.25 L7.956（3） 填料层高度Z:

Z?HOG?NOG HOG?V39.88??1.13m

?KYa?125??0.624S?mV/L?0.14?39.88/7.956?0.7 NOG?Y?mX21ln[(1?S)1?S] 1?SY2?mX210.05263?0ln[(1?0.7)?0.7]

1?0.70.00263?0?6.34

故 Z?6.34?1.13?7.16m

?（4） 吸收塔每小时回收多少kg的苯： 回收苯的质量为：

m?MV(Y1?Y2)?78?39.88?(0.05263?0.00263)?155.5kg/h

在压力为101.3kPa 、温度为30℃的操作条件下，在某填料吸收塔中用清水逆流吸收混合气中的NH3。已知入塔混合气体的流量为 220 kmol/h，其中含NH3为1.2% ( 摩尔分数)。操作条件下的平衡关系为Y =1.2X（X、Y均为摩尔比），空塔气速为1.25m/s；水的用量为最小用量的1. 5倍；要求NH3的回收率为95%。试求：

（1）水的用量； (2) 填料塔的直径。

答：（1）单位时间内通过吸收塔的惰性气体流量V?220?(1?1.2%)?217.36Kmol(B)/h

Y2由回收率??1.2%?0.0121

1?1.2%?Y2?Y1?95% 所以 Y1?0.000605 Y2由Y*?1.2X ，X2?Y20.0121??0.01 1.21.2清水吸收则 X1Y?Y10.0121?0.000605?L??0， ???2??1.14 *0.01?0?V?minX2?X1?(L)min?1.14V?1.14*217.36?247.79 Kmol/h L?1.5Lmin?1.5*247.79?371.69 Kmol/h

(2)

PV?nRT V?nRT220*1000*8.314*(273?30)??1.52m3/s P101.3*1000*3600 由V1??D2u 1.52?1.25*1/4*3.14*D2 所以 D?1.24m 4

六、计算题。（15分）

已知某填料吸收塔直径为1m，填料层高度为4m。用清水逆流吸收某混合气体中的可溶组分，该组分进口组成为8%，出口组成为1%（均为mol%）。混合气流率为30 kmol/h，操作液气比为2，操作条件下气液平衡关系为 Y=2X。试求：

（1） 操作液气比为最小液气比的多少倍； （2）气相总体积吸收系数KYa。

传质单元数的计算公式：

NOG2dYdY???*?Y2Y?YY1Y?(mX?b)

Y1Y

用纯溶剂吸收惰性气体中的溶质A。入塔混合气流量为0.0323kmol/s，溶质

的含量为y1=0.0476（摩尔分数，下同），要求吸收率为95%。已知塔径为1.4m，相平衡关系为Y*=0.95X（X、Y均为摩尔比），传质属于气膜控制，KYa=4?10-2kmol/(m2?s)，要求出塔液体中溶质的含量为x1=0.0476，试求：

（1） 吸收剂用量（kg/h）； （2） 填料层高度。

[解] 先进行组成和物理量单位换算

Y1?y10.0476??0.0500

1?y11?0.0476Y2?Y1(1??)?0.05?(1?0.95)?0.0025

X1?x10.0476??0.0500 1?x11?0.0476X2?0

VB?Z?(1?y1)??Z?(1?y1)0.0323?(1?0.0476)2??0.020kmol/(m?s) 220.785D0.785?1.4LSY1?Y20.05?0.0025???0.95 VBX1?X20.05?0（1） 由全塔物料衡算关系

所以吸收剂用量为

LS?0.95VB?0.95?0.02?0.019kmol/(m2?s)

?0.95VB?M(H2O)?3600 ?0.019?0.785?1.42?18?3600 （10分）

?1894.3kg/h（2）由于脱吸因子

S?mVBm0.95

???1LB0.95LBVB说明操作线与平衡线平行，推动力处处相等，即

?Y??Y1??Y2?Y2?Y2*?Y2?mX2?Y2?0?0.0025

NOG?HOG?Y1?Y20.05?0.0025??19 ?Y20.0025VB0.020??0.5m （10分） ?2KYa4?10五、计算题。（15分）

在常压逆流吸收塔中，用清水吸收混合气体中溶质组分A。进塔气体组成为0.03（摩尔比，下同），吸收率为99％；出塔液相组成为0.013。操作压力为101.3 kPa，温度为27℃，操作条件下的平衡关系为（Y、X均为摩尔比）。已知单位塔截面上惰气流量为54 kmol

23

/（m·h），气相总体积吸收系数为1.12 kmol /（m·h·kPa），试求：

1、所需填料层高度。（7分）

2、操作液气比为最小液气比的多少倍？（8分）； 五、（15分）解：1、（7分）气相进塔组成

气相出塔组成 液相出塔组成 液相进塔组成

（2分）

（1分）

（2分）

m （1分）

m （1分）

2、（8分）

LY?Y20.03?0.0003??2.28（2分） 操作液气比 ?1VX1?X20.013?0由Y

?2X?X1*?Y10.03??0.015 （2分） 22Y?Y2L0.03?0.0003()min?1??1.98 （2分） *V0.015?0X1?X2L()opt2.28?V??1.15 （2分）

L1.98()minV1.

(20分) 某厂有一填料吸收塔，直径为880 mm，填料层高6 m，所用填料为56 mm的拉西环。在25℃及101.325 kPa（绝压）时，每小时处理2000 m3含5%（体积）丙酮的空气-丙酮混合气，处理时用水作溶剂，塔顶送出的尾气中含丙酮0.263%（体积）。塔底送出的溶液中每kg含丙酮61.2 g。在上述操作条件下，平衡关系为y*=2x。根据上述所测出的数据，试求： （1）气相总传质系数Kya； （2）每小时回收的丙酮量。

2 （20分）解：（1）求体积总传质系数 方法1： 对数平均推动力法

y1?0.05,y2?2.63?10?361.2/58x1??0.019831000?61.261.2?1858*y*?mx1?2?0.01983?0.03966,Δ y1?y1?y1?0.010342**y2?mx2?0,Δ y2?y2?y2?2.63?10?3? y1?? y20.01034?2.63?10?3Δym???0.00563(5分)? y10.01034lnln2.63?10?3? y2y1?y20.05?2.63?10?3NOG???8.4(5分)? ym0.00563HOG?h/NOG?6/8.4?0.714 m(5分)2000273G???83.2 kmol/h22.4293 G83.233?Kya???191.6 kmol/(m?h)?0.053 kmol/(m?s)(5分)HOG?0.714???0.8824方法2：吸收因子法

mG/L?m(x1?x2)/(y1?y2)?2(0.01983?0)/(0.05?2.63?10?3)?0.8372(5分)1mGy1?mx2mG10.05ln[(1?)?]?ln[(1?0.8372)?0.8372]?8.4(3分)?3mGLy?mxL1?0.83722.63?10221?LHOG?h/NOG?6/8.4?0.714 m(2分)2000273G???83.2 kmol/h22.4293G83.2?Kya???191.6 kmol/(m3?h)?0.053 kmol/(m3?s)(5分)HOG?0.714???0.8824NOG?（2）每小时回收的丙酮量

GA=G(y1-y2)=83.2×(0.05-2.63×10-3)=3.94 kmol/h=228.5 kg/h

(5分)

五、（20分，08考研）用填料塔吸收混合气体中所含的苯，入塔气体中含苯5%（体积分率），其余为空气，要求苯的回收率为90%，吸收塔在常压、25℃下操作，入塔混合气体为每小时940m3（标准状况），入塔吸收剂为纯煤油，其耗用量为最小耗用量的1.5倍，已知该系统的相平衡关系为Y=0.14X（其中X、Y为摩尔比），气相总体积吸收系数KY a=0.035

3

kmol/(m·s)，纯煤油的平均分子量为170，塔径为0.6 m。 试求：（1）吸收剂用量 kg/h ；（2）溶剂出塔浓度；（3）填料层高度。 五、（20分，05考研）一填料塔用清水逆流吸收混合气中的有害成分A。已知操作条件下气

相总传质单元高度为1.5m，进塔混合气组成为0.04（A的摩尔分率，下同），出塔尾气组成为0.0053,出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下平衡关系为Y=2.5X。试求：(1)液气比为最小液气比的倍数。（2）所需填料层高度。（3）若气液流量和初始组成不变，

要求尾气浓度降至0.0033,需将填料层加高多少米?

五、（20分，06考研）在逆流操作的填料塔中,用清水吸收焦炉气中的氨,氨的浓度为8g/标

33

准m,混合气体处理量为4500标准m/h。氨的回收率为95%，吸收剂用量为最小用量的

3

1.5倍。空塔气速为1.2m/s。气相体积总吸收系数KYa为 0.06kmol/（m·h），且KYa

0.7

正比于V，（V为惰性气体处理量）。操作压强为101.33kPa，温度为30℃，在操作条件下气液平衡关系为Y=1.2X。试求：（1）用水量，kg/h；（2）塔径和塔高，m；（3）若混合气体处理量增加20%，要求吸收率不变，则需增加的填料层高度，m。(氨分子量17)

四、（20分，07考研）填料塔内用纯溶剂吸收气体混合物中的某溶质组分，进塔气体溶质浓度

为0.01 （摩尔比，下同），混合气体的质量流量为1400 kg/h ，平均摩尔质量为29 g/mol，操作液气比为1.5 ，在此操作条件下气液相平衡关系为Y*=1.5X，当两相逆流操作时，工艺要求气体吸收率为95%，现有一填料层高度为 7m 、塔径为0.8m的填料塔，气相总体积吸收系数KYa为0.088 kmol/(m3·s) ，求（1）操作液气比是最小液气比的多少倍？（2）出塔液体浓度X ? （3）该塔是否合用？

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